學(xué)習(xí)分析技術(shù)在智慧教室中的應(yīng)用探索

李雪嬌 沈鍵 朱斌峰

[收稿日期] 2020-04-27

[作者簡(jiǎn)介] *李雪嬌（1994—），女，湖北宜昌人。碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)橹腔劢逃?、學(xué)習(xí)分析。

[摘 要] 智慧教室建設(shè)是當(dāng)今教育領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容，利用學(xué)習(xí)分析技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)過程進(jìn)行記錄和分析，有助于智慧教室功能的實(shí)現(xiàn)。為探索如何在智慧教室中應(yīng)用學(xué)習(xí)分析技術(shù)以進(jìn)一步促進(jìn)“以學(xué)為中心”教學(xué)變革的實(shí)現(xiàn)，首先通過研究現(xiàn)狀分析肯定了學(xué)習(xí)分析技術(shù)在智慧教室中的重要應(yīng)用價(jià)值;然后在對(duì)學(xué)習(xí)分析技術(shù)一般方法流程分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合智慧教室的特征，提出了學(xué)習(xí)分析技術(shù)在智慧教室中的一般應(yīng)用流程;最后以華東理工大學(xué)智慧教室建設(shè)為例開展了學(xué)習(xí)分析技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用分析。

[關(guān)鍵詞] 智慧教室;學(xué)習(xí)分析技術(shù);應(yīng)用流程

[中圖分類號(hào)] G642.4? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? [文章編號(hào)] 1005-4634（2021）04-0024-07

0 引言

《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020 年）》提出：促進(jìn)信息技術(shù)與教育的深度融合是實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化的必要途徑。2019年2月，《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》印發(fā)，指出要加快信息化時(shí)代教育變革，倡導(dǎo)建設(shè)智能化校園。教室是教學(xué)開展的主要場(chǎng)所，是智能化校園實(shí)現(xiàn)的重要組成部分，如何利用新型技術(shù)建設(shè)智慧教室成為重要的研究主題。智慧教室作為智能化的學(xué)習(xí)環(huán)境，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等新型技術(shù)構(gòu)建教室物理環(huán)境已經(jīng)得到了大量關(guān)注，然而智慧教室的“智慧性”還體現(xiàn)在學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程的智能化記錄、分析，學(xué)習(xí)分析技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘等也應(yīng)該是智慧教室建設(shè)中不容忽視的重要技術(shù)手段。因此，本研究順應(yīng)大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)時(shí)代的發(fā)展，對(duì)學(xué)習(xí)分析技術(shù)在智慧教室建設(shè)中的應(yīng)用進(jìn)行探索，并以華東理工大學(xué)的智慧教室建設(shè)項(xiàng)目為例進(jìn)行學(xué)習(xí)分析技術(shù)在智慧教室建設(shè)中的實(shí)踐應(yīng)用分析和思考。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 智慧教室

黃榮懷等人將智慧教室定義為“能優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)、便利學(xué)習(xí)資源獲取、促進(jìn)課堂交互開展，具有情景感知和環(huán)境管理功能的新型教室”，與傳統(tǒng)教室的區(qū)別在于其智慧性體現(xiàn)在內(nèi)容呈現(xiàn)（S）、環(huán)境管理（M）、資源獲?。ˋ）、及時(shí)互動(dòng)（R）和情景感知（T）5個(gè)方面[1]。這5個(gè)維度體現(xiàn)了智慧教室在設(shè)備、系統(tǒng)等建設(shè)和管理上的要求，也反映出智慧教室能對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程進(jìn)行記錄、分析等，以支持個(gè)性化學(xué)習(xí)、適應(yīng)性學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)。何克抗在認(rèn)可黃榮懷觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上，認(rèn)為智慧教室的智慧性體現(xiàn)在記錄學(xué)習(xí)過程、識(shí)別學(xué)習(xí)情景、聯(lián)接學(xué)習(xí)社群和感知物理環(huán)境，強(qiáng)調(diào)了智慧性的實(shí)現(xiàn)離不開數(shù)據(jù)挖掘、學(xué)習(xí)分析等技術(shù)的支持。因此智慧教室不僅要有符合信息時(shí)代的高科技硬件配置，還要有把握大數(shù)據(jù)時(shí)代機(jī)遇的基于數(shù)據(jù)分析的軟件工具，從軟、硬多方面實(shí)現(xiàn)“智慧性”，以支持教與學(xué)過程，促進(jìn)個(gè)性化學(xué)習(xí)環(huán)境的實(shí)現(xiàn)。總的來說，智慧教室的本質(zhì)是利用多種新型技術(shù)構(gòu)建一個(gè)智能化的學(xué)習(xí)環(huán)境，該環(huán)境以學(xué)習(xí)者為中心進(jìn)行空間的布局、系統(tǒng)的構(gòu)建、軟硬件的集成，對(duì)教與學(xué)給予支持，從而促進(jìn)實(shí)現(xiàn)以學(xué)為中心的教學(xué)變革[2]。

已有不少學(xué)者從技術(shù)應(yīng)用、系統(tǒng)架構(gòu)等多方面對(duì)智慧教室的設(shè)計(jì)與實(shí)踐展開了研究。例如國(guó)外學(xué)者Dong-oh Kang等人借助SoD技術(shù)構(gòu)建了能實(shí)現(xiàn)協(xié)同教學(xué)的智能課堂系統(tǒng)[3]。Mahesh等人將智能手機(jī)應(yīng)用于智慧教室的建設(shè)中[4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者嘗試從不同角度進(jìn)行智慧教室系統(tǒng)架構(gòu)的研究，例如王玉龍等人、謝火木等人分別以需求為導(dǎo)向和課堂教學(xué)變革的角度闡述了高校智慧教室的建設(shè)方案[5-6]。也有學(xué)者從技術(shù)層面探討了智慧教室建設(shè)，例如基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行智慧教室架構(gòu)設(shè)計(jì)[7-8]。鄭烔桐通過129篇英文文獻(xiàn)和79篇中文文獻(xiàn)分析得出，現(xiàn)有高校智慧建設(shè)中缺乏數(shù)據(jù)核心意識(shí)，導(dǎo)致智慧教室“不智慧”[9]。孫健也提出目前有些高校存在重硬件、輕軟件的現(xiàn)象，建議通過課堂信息的采集來了解學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)習(xí)慣等特征，用于教學(xué)設(shè)計(jì)[10]。與此同時(shí)，雖然國(guó)內(nèi)有學(xué)者意識(shí)到數(shù)據(jù)及其分析在智慧教室中的重要性，但較為宏觀或研究不夠深入，例如崔亞強(qiáng)等人將教學(xué)數(shù)據(jù)智能分析作為技術(shù)環(huán)境設(shè)計(jì)考慮其中，但在建設(shè)實(shí)踐中對(duì)數(shù)據(jù)方面沒有進(jìn)行詳細(xì)說明[11];屈敬華在智慧教室建設(shè)中雖然提到了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，但缺乏對(duì)數(shù)據(jù)的分析、應(yīng)用等更深入的研究[12]。所以，我國(guó)智慧教室建設(shè)中普遍存在問題，即過于關(guān)注多種新型技術(shù)在物理空間建設(shè)的應(yīng)用，忽略了對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程的記錄與分析，智慧教室環(huán)境下產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)尚未被充分利用，智慧教室的智慧性體現(xiàn)不夠[13-14]。因此，本研究認(rèn)為在智慧教室建設(shè)過程中需加大學(xué)習(xí)分析符數(shù)據(jù)采集、分析技術(shù)的應(yīng)用探索。

1.2 智慧教育中學(xué)習(xí)分析技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值

學(xué)習(xí)分析的定義隨著相關(guān)研究的進(jìn)展而演變，EDUCAUSE組織（2015）、學(xué)習(xí)分析領(lǐng)域?qū)＜襍iemens（2010）、“學(xué)習(xí)分析和知識(shí)”年會(huì)（2011）以及新媒體聯(lián)盟（2012）等都曾對(duì)學(xué)習(xí)分析下過定義，這些定義在用詞和著重點(diǎn)上雖然有些許區(qū)別，但基本反映了學(xué)習(xí)分析的本質(zhì)，即利用各種技術(shù)方法獲取學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)相關(guān)的各類數(shù)據(jù)信息，圍繞這些數(shù)據(jù)運(yùn)用不同的分析方法和數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析，根據(jù)分析的結(jié)果來探究學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程以發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)規(guī)律，闡釋學(xué)習(xí)者表現(xiàn)，并將分析結(jié)果以可視化的形式反饋給學(xué)習(xí)者、教師、教育管理者或研究者，從而達(dá)到優(yōu)化教與學(xué)過程的目的。

智慧教育強(qiáng)調(diào)以學(xué)習(xí)者為中心實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)分析技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程的分析與監(jiān)測(cè)，為教學(xué)評(píng)估、學(xué)習(xí)者風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別等提供數(shù)據(jù)支撐，從而促進(jìn)智慧教育的實(shí)現(xiàn)，因此，祝智庭認(rèn)為學(xué)習(xí)分析是智慧教育的科學(xué)力量[15]。李葆萍等人整理2000～2018年的國(guó)內(nèi)外智慧教室研究論文發(fā)現(xiàn)，“大數(shù)據(jù)”和“學(xué)習(xí)分析”是重要的研究熱點(diǎn)，并建議在智慧教室建設(shè)時(shí)對(duì)學(xué)習(xí)者數(shù)據(jù)的采集、分析進(jìn)行專門規(guī)劃[16]。已有不少研究者肯定了學(xué)習(xí)分析在智慧教育中的應(yīng)用價(jià)值并開展了一系列研究。祝智庭等人通過分析學(xué)習(xí)分析定義、設(shè)計(jì)框架等，基于Greller等人的學(xué)習(xí)分析模型提出了智慧教育中學(xué)習(xí)分析應(yīng)用過程模型，該模型包括了目標(biāo)確立、學(xué)習(xí)分析的開發(fā)以及最后的干預(yù)[15]。高琪等人通過學(xué)習(xí)分析一般流程和智慧教育特征的分析，總結(jié)出學(xué)習(xí)分析在智慧教育中的三大應(yīng)用：干預(yù)機(jī)制的構(gòu)建、學(xué)習(xí)者特征識(shí)別與智慧資源推送以及智慧管理服務(wù)[17]。林秀瑜等人基于文獻(xiàn)分析和理論研究，提出了學(xué)習(xí)分析在智慧學(xué)習(xí)環(huán)境中應(yīng)用的理論模型及其機(jī)制[18]。趙紅敏等人指出在智慧教育中學(xué)習(xí)分析技術(shù)除了作為學(xué)習(xí)者行為記錄工具，還能從學(xué)習(xí)資源、智能工具、學(xué)習(xí)社群、教學(xué)社群等方面給予技術(shù)支持[19]。還有學(xué)者對(duì)學(xué)習(xí)分析在智慧學(xué)習(xí)環(huán)境中的具體應(yīng)用進(jìn)行了研究，例如智能導(dǎo)學(xué)、干預(yù)機(jī)制等[20-21]。以往研究中，多從宏觀的理論層面挖掘了學(xué)習(xí)分析技術(shù)在智慧教室中的重要地位和應(yīng)用場(chǎng)景，但對(duì)學(xué)習(xí)分析技術(shù)的具體應(yīng)用流程尚未做詳細(xì)闡述。

總的來說，學(xué)習(xí)分析技術(shù)作為大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下的產(chǎn)物，通過對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程的記錄和分析能有效保證智慧教育的實(shí)現(xiàn)。智慧教室作為一種典型的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，利用學(xué)習(xí)分析技術(shù)解決現(xiàn)有智慧教室建設(shè)重基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)輕軟件應(yīng)用、個(gè)性化學(xué)習(xí)支持不夠的問題，還有待更加深入、具體地探索。因此，本研究從利益相關(guān)者的需求出發(fā)，探討學(xué)習(xí)分析在智慧教室建設(shè)中的應(yīng)用，構(gòu)建學(xué)習(xí)分析在智慧教室中的應(yīng)用流程。

2 學(xué)習(xí)分析技術(shù)在智慧教室中的應(yīng)用分析

2.1 學(xué)習(xí)分析技術(shù)的一般方法流程

學(xué)習(xí)分析技術(shù)包括話語分析、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析、內(nèi)容分析等數(shù)據(jù)分析方法，而且還在不斷吸收其他各類分析方法以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程的多維度分析。關(guān)于學(xué)習(xí)分析的應(yīng)用流程，不同的學(xué)者有不同的見解，國(guó)外較為典型且被引用較多的有Siemens設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)分析過程模型和Elias設(shè)計(jì)的持續(xù)改進(jìn)學(xué)習(xí)分析模型[22]。Siemens的學(xué)習(xí)分析過程模型表明了學(xué)習(xí)分析實(shí)施以學(xué)習(xí)者數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述或分析，預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)者的未來表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化或適應(yīng)性的學(xué)習(xí)。Elias則從數(shù)據(jù)收集（選擇與采集）、數(shù)據(jù)處理（整合與預(yù)測(cè)）、知識(shí)應(yīng)用（使用和優(yōu)化）3個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)建了學(xué)習(xí)分析持續(xù)改進(jìn)模型，通過3個(gè)環(huán)節(jié)的環(huán)環(huán)相扣，旨在持續(xù)改進(jìn)教與學(xué)。國(guó)內(nèi)研究中，李艷燕等人提出了學(xué)習(xí)分析的5個(gè)環(huán)節(jié)，即數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)表示環(huán)節(jié)、應(yīng)用服務(wù)環(huán)節(jié)[23]。韓錫斌等人基于大量文獻(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)分析進(jìn)行了系統(tǒng)化綜述，認(rèn)為學(xué)習(xí)分析的應(yīng)用流程主要分為3個(gè)階段：數(shù)據(jù)選擇與采集、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果呈現(xiàn)與反饋[24]?？偟膩碚f，學(xué)習(xí)分析技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)為學(xué)習(xí)者相關(guān)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的采集、分析、可視化呈現(xiàn)以滿足利益相關(guān)者的需求。

2.2 學(xué)習(xí)分析技術(shù)在智慧教室建設(shè)中的應(yīng)用流程

學(xué)習(xí)分析技術(shù)可通過智慧教室中多維度數(shù)據(jù)的采集、記錄與分析，以支持個(gè)性化教與學(xué)的開展。根據(jù)學(xué)習(xí)分析技術(shù)的一般方法與流程，結(jié)合智慧教室的特征，本研究提出學(xué)習(xí)分析技術(shù)在智慧教室中的應(yīng)用流程圖（見圖1）。

學(xué)習(xí)分析技術(shù)在智慧教室中的應(yīng)用遵循了學(xué)習(xí)分析技術(shù)的一般應(yīng)用流程，即通過數(shù)據(jù)的采集、分析、呈現(xiàn)，對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程展開深入分析后將分析結(jié)果應(yīng)用于教與學(xué)。除此之外，學(xué)習(xí)分析技術(shù)的應(yīng)用需要明確利益相關(guān)者的需求，并且其最終應(yīng)用于教學(xué)后還要指向最初的需求制定，形成閉環(huán)，確保利益相關(guān)者需求的實(shí)現(xiàn)。以往的學(xué)習(xí)分析技術(shù)應(yīng)用研究集中于在線學(xué)習(xí)環(huán)境，智慧教室中學(xué)習(xí)環(huán)境的不同、利益相關(guān)者需求不同，學(xué)習(xí)分析技術(shù)在智慧教室建設(shè)中的應(yīng)用也具有一定的特殊性。接下來對(duì)應(yīng)用流程進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.2.1 需求分析

需求分析是通過分析利益相關(guān)者的具體需求，明確學(xué)習(xí)分析目標(biāo)，以指導(dǎo)學(xué)習(xí)分析技術(shù)在智慧教室中的應(yīng)用。智慧教室是教學(xué)開展的場(chǎng)所，學(xué)習(xí)者和教師是智慧教室的使用者，是學(xué)習(xí)分析技術(shù)的主要利益相關(guān)者，因此需求分析主要圍繞著學(xué)習(xí)者和教師開展。學(xué)習(xí)分析技術(shù)主要滿足以下需求。

第一，滿足學(xué)習(xí)者對(duì)個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)的需求。學(xué)習(xí)者在知識(shí)儲(chǔ)備、學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)偏好等一系列特征上存在著差異，反映出不同的學(xué)習(xí)需求，因此需要為其提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)服務(wù)。然而傳統(tǒng)課堂中，學(xué)習(xí)者數(shù)量較多，學(xué)習(xí)者特征收集難度大，很難實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)。智慧教室中，多種新型技術(shù)的應(yīng)用使得學(xué)習(xí)者數(shù)據(jù)采集更加智能化、全面化，利用學(xué)習(xí)分析技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)者數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，使教師在客觀了解學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)需求的基礎(chǔ)上提供個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)成為可能。因?yàn)閷W(xué)習(xí)分析技術(shù)注重學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程的記錄、分析，故能為學(xué)習(xí)者提供學(xué)習(xí)行為表現(xiàn)的可視化反饋，以供學(xué)習(xí)者自我反思。也可通過預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)者未來表現(xiàn)，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)學(xué)習(xí)者識(shí)別，為有學(xué)業(yè)失敗風(fēng)險(xiǎn)的學(xué)習(xí)者提供預(yù)警服務(wù)。除此之外，個(gè)性化的資源推薦也是學(xué)習(xí)分析應(yīng)用之一，能在了解學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)偏好、認(rèn)知風(fēng)格的基礎(chǔ)上滿足不同學(xué)習(xí)者對(duì)學(xué)習(xí)資源的不同需求。

第二，滿足教師開展學(xué)情分析、改善教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)施學(xué)習(xí)者評(píng)估的需求。學(xué)習(xí)分析中的數(shù)據(jù)雖然來源于學(xué)習(xí)者，但是能從另一個(gè)角度給教師的教帶來福利。學(xué)情分析是教師制定教學(xué)計(jì)劃、開展教學(xué)活動(dòng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。學(xué)習(xí)分析能將學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)特征，例如學(xué)習(xí)風(fēng)格、學(xué)習(xí)行為表現(xiàn)即時(shí)地反饋給教師，為教師的學(xué)情分析提供了更為全面、智能的數(shù)據(jù)支撐。學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)能反映出學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)路徑、參與度、投入度等，為教師的教學(xué)反思、教學(xué)設(shè)計(jì)改善提供依據(jù)。同時(shí)，很多教師逐漸意識(shí)到依靠學(xué)業(yè)成績(jī)對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)估過于單一片面，因而形成性評(píng)價(jià)越來越受重視。學(xué)習(xí)分析技術(shù)為學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程中的行為表現(xiàn)評(píng)估提供了數(shù)據(jù)支撐，能形成較為完善的評(píng)價(jià)體系。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集

智慧教室是一個(gè)混合學(xué)習(xí)環(huán)境，支持線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式，可分為線上的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境和線下的物理學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)習(xí)分析在智慧教室中能得到一個(gè)“線上+線下”的數(shù)據(jù)集合，具有多模態(tài)的特征?；诙嗄B(tài)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)分析是未來的發(fā)展趨勢(shì)，即學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)將由兩種或兩種以上方式獲取，其數(shù)據(jù)采集技術(shù)包含了物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、視頻監(jiān)控/拍攝技術(shù)、智能錄播技術(shù)等16種[25]。智慧教室作為多種技術(shù)的集合，能實(shí)現(xiàn)多模態(tài)數(shù)據(jù)采集，例如線上平臺(tái)中學(xué)習(xí)者的作業(yè)完成、資源觀看等學(xué)習(xí)行為的記錄，利用視頻監(jiān)控技術(shù)也可記錄學(xué)習(xí)者在線下學(xué)習(xí)過程中的肢體、語言、表情等，也可利用可穿戴的腦波設(shè)備記錄學(xué)習(xí)者的注意力水平等，從行為、生理、心理等多角度記錄學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程和狀態(tài)（見表1）。除此之外，學(xué)習(xí)環(huán)境中的氣溫、二氧化碳等氣體濃度也能被采集和記錄，為理解、分析學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)提供了更多的數(shù)據(jù)維度，極大豐富了學(xué)習(xí)分析的數(shù)據(jù)類型，為學(xué)習(xí)者、教師等利益相關(guān)者的需求實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)，也為智慧教室中個(gè)性化學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)提供了數(shù)據(jù)支撐。值得注意的是，多系統(tǒng)來源的數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)工作提出了挑戰(zhàn)，如何統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，增強(qiáng)各模塊間的互操作性是未來需要解決的問題。

2.2.3 數(shù)據(jù)分析

學(xué)習(xí)分析中數(shù)據(jù)分析的主要目的是挖掘隱藏在數(shù)據(jù)背后的學(xué)習(xí)者特征，反映學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程表現(xiàn)，為利益相關(guān)者的需求實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐。智慧教室中多模態(tài)的數(shù)據(jù)來源為揭示學(xué)習(xí)者更多的特征提供了可能，例如利用“抬頭行為”這個(gè)生理數(shù)據(jù)能得到線下學(xué)習(xí)中的學(xué)習(xí)專注程度;利用隨堂測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況;利用腦波數(shù)據(jù)得到學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的注意力等，學(xué)習(xí)環(huán)境數(shù)據(jù)的收集為解釋學(xué)習(xí)者行為表現(xiàn)提供了新思路。數(shù)據(jù)分析的具體開展是以利益相關(guān)者需求為導(dǎo)向的，并針對(duì)數(shù)據(jù)的類型選取不同的數(shù)據(jù)分析技術(shù)。常用的數(shù)據(jù)分析方法包括了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法，例如描述性統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析、聚類分析等，也包含了針對(duì)文本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的文本挖掘、針對(duì)話語數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的話語分析法，還有可以探索學(xué)習(xí)者社會(huì)關(guān)系的社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析法，等等?？傊?，數(shù)據(jù)分析方法的選擇需結(jié)合分析目標(biāo)和數(shù)據(jù)類型。

2.2.4 可視化呈現(xiàn)

學(xué)習(xí)分析的數(shù)據(jù)分析結(jié)果呈現(xiàn)強(qiáng)調(diào)可視化，即多用圖表的形式向利益相關(guān)者展示分析結(jié)果。已有學(xué)者專門針對(duì)可視化進(jìn)行了深入研究，王苗等人根據(jù)數(shù)據(jù)類型設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的可視化輸出類型[26];許文等人在對(duì)學(xué)習(xí)分析可視化呈現(xiàn)的工具系統(tǒng)架構(gòu)等進(jìn)行闡述的基礎(chǔ)上指出，學(xué)習(xí)分析可視化呈現(xiàn)要考慮到利益相關(guān)者的特點(diǎn)從而恰當(dāng)直觀地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)[27]。因此，學(xué)習(xí)分析可視化在考慮數(shù)據(jù)類型的基礎(chǔ)上面向不同利益相關(guān)者采取不同的呈現(xiàn)方式。面向?qū)W習(xí)者的可視化應(yīng)該是生動(dòng)活潑、互動(dòng)性強(qiáng)的，以迎合學(xué)習(xí)者的認(rèn)知特征;教師端的可視化則應(yīng)簡(jiǎn)潔明了，方便教師的使用。

2.2.5 應(yīng)用與評(píng)估

將學(xué)習(xí)分析結(jié)果應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，從主客觀角度對(duì)教學(xué)過程中學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為表現(xiàn)、學(xué)習(xí)成績(jī)、滿意度等進(jìn)行應(yīng)用效果評(píng)估，以判斷學(xué)習(xí)分析應(yīng)用是否滿足了利益相關(guān)者的需求。如果沒有達(dá)到既定的分析目標(biāo)，則需要開展新一輪的學(xué)習(xí)分析。

3 學(xué)習(xí)分析技術(shù)在智慧教室建設(shè)中的應(yīng)用案例

華東理工大學(xué)（學(xué)校）為了促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，開展了能適應(yīng)混合式教學(xué)模式的智慧教室建設(shè)。學(xué)校智慧教室以支持混合式學(xué)習(xí)為目的，主要包含了三大系統(tǒng)：（1）基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人臉識(shí)別等技術(shù)的智能環(huán)境系統(tǒng);（2）支持教師的教、學(xué)生的學(xué)的智慧課堂系統(tǒng);（3）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整合、綜合管理、云運(yùn)維等的智慧管理系統(tǒng)。學(xué)習(xí)分析技術(shù)主要應(yīng)用于智慧課堂系統(tǒng)以支持教與學(xué)的開展，具體應(yīng)用于學(xué)情分析模塊以及智慧課堂APP。通過對(duì)傳統(tǒng)高校教室的反思，以教師的角度提出學(xué)情分析、知識(shí)掌握分析等方面的需求，通過線下課堂中的抬頭行為數(shù)據(jù)、線上課堂中的答題行為數(shù)據(jù)的收集和分析，為教師的教學(xué)反思、個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.1 需求分析

在學(xué)校以往的教學(xué)過程中，傳統(tǒng)的簽到環(huán)節(jié)、提問互動(dòng)環(huán)節(jié)、課堂小測(cè)試環(huán)節(jié)存在諸多問題，例如測(cè)試題的提交、批改、評(píng)估等步驟，不僅周期長(zhǎng)，人力投入也大，已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)的需求。與此同時(shí)，通過與學(xué)校部分教師的訪談后發(fā)現(xiàn)，不少教師希望智慧教室能即時(shí)反饋學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)、知識(shí)掌握情況，以供其及時(shí)做出教學(xué)改進(jìn)，從而提高教學(xué)效果。因此，學(xué)校利用學(xué)習(xí)分析技術(shù)開展了學(xué)情分析模塊和智慧課堂APP的建設(shè)。

3.2 學(xué)情分析模塊

學(xué)情分析模塊是智慧課堂系統(tǒng)的功能模塊之一，主要通過對(duì)學(xué)習(xí)者出勤情況、上課過程中的抬頭行為進(jìn)行可視化分析并反饋給教師，以供教師了解學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)，為教學(xué)設(shè)計(jì)改善等提供依據(jù)，其實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

具體而言，學(xué)情分析模塊依托教室內(nèi)的攝像機(jī)采集學(xué)生區(qū)域的視頻信號(hào)，傳輸?shù)胶笈_(tái)的學(xué)情分析工作站中，由學(xué)情分析工作站對(duì)原始圖像進(jìn)行分析。學(xué)情分析工作站采用人臉識(shí)別算法，盡可能較少地識(shí)別誤差，同時(shí)將識(shí)別結(jié)果反饋到資源管理平臺(tái)中，并以列表形式展示每一節(jié)課程的出勤率情況，包含院系、教師、課程、日期、應(yīng)到人數(shù)、實(shí)到人數(shù)、出勤率、課堂抓拍、分析時(shí)間等信息。教師在系統(tǒng)中可查看每一節(jié)課的具體學(xué)情分析內(nèi)容。每一節(jié)課程會(huì)生成學(xué)生出勤率和抬頭率曲線圖，用于反映每一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)中教室內(nèi)學(xué)生的出勤情況和抬頭率情況。在時(shí)間節(jié)點(diǎn)中會(huì)伴隨有課堂抓拍，點(diǎn)擊進(jìn)入后可以詳細(xì)查看學(xué)生課堂情況。圖3為教師端顯示了學(xué)生抬頭率的學(xué)習(xí)分析模塊界面圖。

教師獲取學(xué)生實(shí)時(shí)出勤率和抬頭率后，一方面能快速了解學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)，并對(duì)學(xué)習(xí)狀態(tài)不好的學(xué)習(xí)者提供干預(yù)措施，比如上課過程中抬頭率較低的學(xué)生給予口頭警告，及時(shí)幫助學(xué)習(xí)者調(diào)整狀態(tài);另一方面，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)也反映出教師的教學(xué)情況，比如教學(xué)過程中學(xué)習(xí)者的抬頭率較低或出勤率降低，此時(shí)教師應(yīng)反思自己的教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)風(fēng)格等并做出相對(duì)應(yīng)的改變，以提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)參與度。與此同時(shí)，這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)也可以作為教師考核的指標(biāo)，從學(xué)習(xí)者角度評(píng)估教師教學(xué)質(zhì)量。

3.3 智慧課堂APP

智慧課堂APP是學(xué)?；旌鲜街腔劢淌业木€上學(xué)習(xí)移動(dòng)平臺(tái)，提供了簽到、直播、課堂互動(dòng)等多種功能。其中，課堂互動(dòng)功能能實(shí)現(xiàn)基于教師學(xué)生自帶移動(dòng)終端設(shè)備間的課堂答題互動(dòng)，授課教師可通過移動(dòng)終端下發(fā)測(cè)試題目，學(xué)生手機(jī)端則變?yōu)榇痤}器，提交答案。教師移動(dòng)終端實(shí)時(shí)接收學(xué)習(xí)者的測(cè)試答案，在對(duì)學(xué)習(xí)者的測(cè)試答案進(jìn)行即時(shí)數(shù)據(jù)分析后，將分析結(jié)果用圖表的形式反饋給教師，以供教師了解學(xué)習(xí)者的課程知識(shí)掌握情況。其具體的知識(shí)掌握情況分析流程如圖4所示。

3.4 教學(xué)運(yùn)行可視化平臺(tái)

上述兩個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)了教師的具體教學(xué)需求，學(xué)校還建設(shè)了教學(xué)運(yùn)行可視化平臺(tái)，通過錄播系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等基礎(chǔ)平臺(tái)的資源整合以實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧教室的綜合管理。其中，數(shù)據(jù)分析是該平臺(tái)的重要功能，集成整合了多個(gè)基于學(xué)習(xí)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)的功能模塊，例如學(xué)習(xí)者的出勤率統(tǒng)計(jì)、抬頭率分析、資源錄制統(tǒng)計(jì)、教師行為分析、學(xué)生行為分析、知識(shí)點(diǎn)分析，通過教學(xué)過程中多維度的數(shù)據(jù)分析以可視化呈現(xiàn)出整個(gè)教學(xué)狀態(tài)，為教學(xué)質(zhì)量評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐，見圖5。

以上3個(gè)模塊的建設(shè)，將學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、分析和可視化呈現(xiàn)，為教師了解學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況、即時(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)提供了依據(jù)，并以此助力教師開展以學(xué)生為中心的教學(xué)變革。同時(shí)，學(xué)校智慧教室項(xiàng)目還在升級(jí)改造中，更為豐富、深入的學(xué)習(xí)分析技術(shù)應(yīng)用功能模塊將在未來被開發(fā)。例如，智慧課堂APP中還將呈現(xiàn)學(xué)習(xí)者答題速度、測(cè)試完成率等，將增加學(xué)習(xí)者資源行為、討論行為的分析，并在教師端、學(xué)生端進(jìn)行分析結(jié)果呈現(xiàn)。除此之外，整合線下數(shù)據(jù)和線上數(shù)據(jù)開展學(xué)習(xí)者全面畫像也將是教學(xué)運(yùn)行可視化平臺(tái)建設(shè)未來努力的方向。

4 結(jié)束語

本研究分析了學(xué)習(xí)分析技術(shù)在智慧教室中的應(yīng)用價(jià)值，并在對(duì)學(xué)習(xí)分析簡(jiǎn)要概述的基礎(chǔ)上結(jié)合智慧教室的特征，對(duì)學(xué)習(xí)分析技術(shù)在智慧教室中的應(yīng)用流程及其具體內(nèi)容進(jìn)行了設(shè)計(jì)和描述。最后以華東理工大學(xué)的智慧教室建設(shè)為例，分析了學(xué)習(xí)分析技術(shù)在智慧教室實(shí)際建設(shè)中的應(yīng)用。目前，華東理工大學(xué)智慧教室已經(jīng)建設(shè)完畢，但尚未進(jìn)行大規(guī)模的使用，其應(yīng)用推廣階段因疫情原因也受到了推遲，而學(xué)習(xí)分析技術(shù)在推進(jìn)以學(xué)為中心教學(xué)變革中的應(yīng)用效果究竟有多顯著、其應(yīng)用潛力到底有多大，還需更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，這將是下一步的研究方向。

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Exploring the application of learning analytics in smart classrooms

LI Xue-jiao1，SHEN Jian2，ZHU Bin-feng1

（1.Informatization Office， East China University of Science and Technology， Shanghai 200237，China;

2.Modern Education Technology Center， East China University of Science and Technology， Shanghai200237，China）

AbstractThe construction of smart classrooms is an important research content in the field of education today. Learning analytics contributes to the realization of the functions of smart classrooms through the recording and analysis of the learning process. How to apply learning analytics in smart classrooms to further promote the realization of "learning-centered" teaching reform is the exploration goal of the paper. This paper firstly affirmed the important application value of learning analytics in the smart classroom through the analysis of the research status. Then， based on the analysis of the general process of learning analytics， combined with the characteristics of the smart classroom， the general application process of learning analytics in the smart classroom was proposed. Finally， the application of learning analytics in practice is analyzed by taking the smart classroom construction of East China University of Science and Technology as an example.

Keywords

smart classroom; learning analytics; application process

[責(zé)任編輯 馬曉寧]